陈 勇，曹玉保，王林强

（1.南京龙渊微电子科技有限公司 江苏 南京 211106；2.河海大学 江苏 南京 211100）

农业灌溉是解决由水资源日益紧缺而导致的各类供求矛盾的有效方案之一，它可以在不影响作物产量的前提下根据作物需水信息适时、适量地进行灌溉，从而达到大幅度减少农业用水的目的。

在灌溉作业中，以土壤含水率为代表的土壤墒情是计算需水信息的一个重要指标。因此，对包括土壤含水率在内的土壤墒情进行连续、大范围、准确的监测在精细灌溉及水资源合理利用中具有重要的意义。但是，现有的灌溉测控系统在实际应用中仍然存在以下问题:测量点上土壤含水率的测量一般局限于地表下单一深度，没有对测量点地表下植物根部多个深度土壤含水率进行立体监测，无法完整和准确地反映监测区域的土壤湿度情况；土壤含水率信息来源单一，容易受外界偶然因素的影响，未实现根据地表下多个测量点的土壤含水率信息进行综合分析并根据结果进行灌溉控制。土壤需水信息和滴灌启停控制信号通过WIFI等无线服务进行传输，对固定通信网依赖较大，大规模使用时通信成本较高，且安装和维护都不方便，特别是在信号覆盖较差的农村地区，系统运行不稳定[1-2]。

文中提出一种基于物联网的农业灌溉监控系统。该系统能够对根部深度土壤进行准确检测，与现在已有技术具有显著优点。

1 整体介绍

本文提出了一种基于物联网的农业灌溉监控系统[3-4]，包括:布置在田间监测范围内的若干个土壤墒情监测节点，每个土壤墒情监测节点包括数个埋于地底不同深度的土壤含水率传感器和土壤墒情信号处理模块，所述土壤墒情信号处理模块通过物联网向其下级精细滴灌控制节点发送控制信息；所述精细滴灌控制节点包括ZigBee低功耗短程无线通信模块、单片机和控制执行单元。该系统能够对地表下植物根部多个深度土壤含水率进行立体监测，不需要固定网络支持实现对精细滴灌作业的测控。具有快速展开、抗毁性强等特点，大规模使用时通信成本较低，且安装和维护方便，特别适用于信号覆盖较差的农村地区。

如图1所示为农业灌溉监测系统总体图。

2 系统具体实现

如图1所示，本系统包括布置在田间监测范围内的若干个土壤墒情监测节点和若干个灌溉控制节点。

图1 农业灌溉监测系统总体图Fig.1 Agricultural irrigation monitoring system overall figure

2.1 簇首节点土壤墒情监测节点

簇首节点土壤墒情监测节点构成如图2所示[5]。土壤墒情监测节点包括4个埋于地底不同深度的土壤含水率传感器，MSP430微处理器，信号调理模块，存储器，USB接口电路，ZigBee无线通信单元，A/D模块，太阳能电池板，充电控制模块，和太阳能电池。

图2 簇首节点土壤墒情监测节点Fig.2 Cluster head node soil moisture content monitoring section

在土壤墒情监测节点中，MSP430微处理器与信号调理模块及A/D模块相连，4个埋于地底不同深度的土壤含水率传感器的激励信号输入端与调理模块的输出端相连，测量信号输出端与A/D模块的输入端相连。信号调理模块主要包括4个运算放大器，分别组成4个跟随器。每个跟随器的输入端与MSP430微处理器的激励信号输出端相连，输出端则与土壤含水率传感器的激励信号引脚相连，MSP430微处理器控制信号调理模块按照一定的时间间隔将激励信号依次经过跟随器放大后启动4个土壤含水率传感器，可以实现对4个不同土层的土壤含水率进行立体测量。各传感器测量信号为模拟电压形式，通过A/D模块进行A/D转换后，将数字信号传送至MSP430微处理器A/D模块包括4个12位高精度A/D转换通道，数字信号通过串行通信的方式发送给MSP430微处理器USB接口电路与MSP430微处理器相连，用于控制程序的下载和测量信息的联机上传。

MSP430微处理器与存储器相连，每次测量完成后MSP430微处理器将土壤含水率信息存储于存储器MSP430微处理器与ZigBee无线通信单元相连，ZigBee无线通信单元平时处于休眠状态，MSP430微处理器每天按照一定的时间间隔唤醒ZigBee无线通信单元，采用符合ZigBee协议的2.4 GHz短程低功耗无线通信的方式将存储器中的土壤墒情信息通过ZigBee无线通信单元向簇首节点上传。

簇首节点定期向土壤墒情监测节点发送数据上传请求，土壤墒情监测节点在多个请求周期后如果未能收到来自簇首节点的数据上传请求，则视为簇首节。 点失效。土壤墒情监测节点不再上传监测信息，转而将监测信息存储于自身的存储器。簇首节点接收到来自土壤墒情监测节点的土壤墒情监测信息后，会向云计算平台发送ACK消息，以告知发送土壤墒情监测信息的土壤墒情监测节点其数据传送成功且告知网络其处于正常运行的状态。

土壤墒情监测节点同时向簇首节点发送监测信息时，簇首节点丢弃当冲突发生时所收到的监测数据包，并向所有土壤墒情监测节点广播冲突信息。土壤墒情监测节点按照一定的协议进行延时后，重新向簇首节点上传监测信息，避免由于通信冲突而导致的数据丢失。

土壤墒情监测节点及簇首节点设置有包括太阳能电池板、充电控制模块和充电电池在内的独立太阳能供电模块组。太阳能电池板与充电控制模块相连，充电控制模块与充电电池相连。充电控制模块根据充电电池的电压连通或切断太阳能电池板与充电电池间的充电回路，实现充电控制。充电电池为土壤墒情监测节点及簇首节点内的相应器件提供正常工作所需的电源。

2.2 灌溉控制节点

灌溉控制节点结构如图3所示[6]。精细滴灌控制节点包括MSP430微处理器，ZigBee低功耗短程无线通信模块，3.6 V电池，实时时钟，电磁阀驱动电路，电磁阀，灌溉水管，3个LED及9 V电源。键盘电路与MSP430微处理器单片机相连，实时时钟与MSP430微处理器单片机相连，3个LED与MSP430微处理器单片机相连，电磁阀驱动电路与MSP430微处理器单片机相连，电磁阀与电磁阀驱动电路相连，灌溉水管与电磁阀相连。

图3 灌溉控制节点Fig.3 Irrigation control node

灌溉控制节点的MSP430微处理器单片机与ZigBee低功耗短程无线通信模块相连，接收来自上级土壤墒情监测节点的滴灌控制信息。该类型节点包括独立工作模式和组网工作模式。

独立工作模式下，MSP430微处理器单片机处于睡眠状态的省电模式；实时时钟每1 s产生一次中断信号，MSP430微处理器单片机唤醒后判断是否累加到30 s，若不是，则直接进入省电模式；若是，则3个LED闪烁一次，以表征系统正常运行，并且判断系统是否处于灌溉状态。若系统不处于灌溉状态，则MSP430微处理器单片机读取实时时钟的当前时间并与滴灌的启动时间进行比较:若相等，则MSP430微处理单片机控制电磁阀驱动电路打开电磁阀以导通灌溉水管进行灌溉。若实时时钟的当前时间与灌溉启动时间不相等，则直接返回到省电模式。若系统处于灌溉状态，则MSP430微处理器单片机则读取实时时钟的当前时间并与计算得到的灌溉结束时刻值进行比较:若相等，则关闭电磁阀驱动电路停止滴灌，将滴灌的关闭的状态写入EEPROM并返回省电模式；若不相等，则直接返回到省电模式。

在物联网的组网工作模式下，土壤墒情监测节点MSP430微处理器对采集到的土壤含水率数据进行处理，如果监测到的土壤含水率高于或低于标准值一定范围，则通过ZigBee无线通信单元向其下级灌溉控制节点发送控制信息，停止或启动灌溉。在组网工作模式下，灌溉控制节点的ZigBee低功耗短程无线通信模块接收来自上级土壤墒情监测节点灌溉信息，并将该信息传送至MSP430微处理器单片机内部的EEPROM存储了唯一的序列号进行标识，如果土壤墒情监测节点控制命令中的序列号与自身序列号相同，则无线灌溉控制命令的优先级高于定时滴灌，MSP430根据该信息控制电磁阀驱动电路的闭合以停止或启动灌溉。

所述的土壤墒情监测节点定期向其下级灌溉控制节点发送组网信息，灌溉控制节点收到上级土壤墒情监测节点的组网信息后，进入组网运行模式。如果精细灌溉控制节点超期未收到来自上级土壤墒情监测节点的存在信息，则自动地由组网模式转变为独立工作模式

3 结束语

本新型系统与现有技术相比，其显著优点为：1）本系统不需要任何固定网络的支持，具有快速展开、抗毁性强等特点，能够使用户在任何时间、地点和任何环境条件下，获取土壤含水率信号；2）具有体积小、功耗少、快速组网等优点，并通过监控终端进行接收数据、发送命令、具有部署方便，成本低廉等优点。

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